나노기술 및 정책 정보

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● 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과의 조재필 특훈교수 연구팀이 고용량 음극소재인 실리콘 계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성 기술을 개발

● 해당 기술로 합성된 음극 소재는 실리콘 입자 크기가 작고, 이를 둘러싼 실리콘카바이드(SiCx)가 실리콘을 보호하는 역할을 해 내구성이 뛰어남.

● 실리콘은 리튬이온배터리에 널리 쓰이는 흑연소재 보다 이론적 용량이 10배나 크지만, 충·방전 때마다 실리콘 부피가 360% 이상 부풀어 올라 구조적 손상이 발생하기 쉽고, 팽창 때 발생하는 가스에 의한 폭발위험도 있어, 현재 한계 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있음.

● 급격한 부피 변화를 막기 위해서는 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야 하는데, 실리콘을 잘게 부수는 방법으로는 한계가 있음.

● 이에 연구팀은 다량의 핵을 만들되, 핵의 성장을 억제하는 방안을 고안하여 입자 크기를 1 나노미터(nm) 이하로 줄임

● 음극재가 전해액과 반응하면 배터리 용량이 줄기 때문에 기존에는 이를 막기 위해 보호구조체로 감싸는 별도의 공정이 필요했지만, 연구팀은 실리콘카바이드를 실리콘 입자로 둘러싸 실리콘이 배터리 전해액과 반응하는 것을 방지

● 본 연구로 합성된 음극재의 부피 팽창율을 측정하였을 때, 상용 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 불과하였고, 셀(cell) 평가에서 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지

● 이제껏 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상의 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험 결과가 보고된 전례가 없었고, 본 연구가 최초 성과임.

● 특히, 연구팀이 개발한 방식은 흑연 위에 바로 실리콘카바이드 합성이 가능하여 흑연과 실리콘카바이드를 섞는 별도 공정이 필요 없고 실리콘카이바드 단독 사용도 가능

● 해당 연구로 개발된 합성 기술은 모든 공정이 건식 공정으로, 대량 생산이 쉽고, 생산 비용 절감 효과도 있으며, 전기자동차(EVs) 뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 적용이 가능할 전망

※ Nature Energy 게재(2021.12.13.), “Subnano-sized silicon anode via crystal growth inhibition mechanism and its application in a prototype battery pack”